Homochiralność biologiczna: Jedna z największych tajemnic życia
W każdej formie życia na Ziemi cukru zawsze praworęczni, a aminokwasy zawsze leworęcznych. Co to oznacza i dlaczego tak się dzieje? To dziwaczne zjawisko obejmuje chiralne cząsteczki i jest znane jako ” homochiralność.”
cząsteczki chiralne są cząsteczkami o tym samym wzorze, ale o nieco różnych strukturach. Twoja ręka jest obiektem chiralnym, ponieważ nie nakłada się na jej lustrzane odbicie; kiedy położysz lewą rękę nad prawą, Twoje kciuki będą wskazywać w różnych kierunkach. W cząsteczkach organicznych, gdy cztery różne grupy otaczają centralny węgiel, cząsteczka będzie miała dwie różne formy chiralne zwane enancjomerami. Te dwie cząsteczki są lustrzanym odbiciem siebie, ponieważ grupy wokół węgla są zorientowane w różnych kierunkach, jak prawa i lewa ręka. W chemii związki te nazywane są enancjomerami R I S (lub izomerami). Jednak gdy aminokwasy lub cukry są chiralne, naukowcy nazywają je izomerami D I L (naukowcy są okropni w konsekwentnym nazywaniu rzeczy). D – oznacza „praworęczny” i L-oznacza ” leworęczny.”
izomery D i L są zwykle obecne w stosunku 50/50. Chemicy nazywają to mieszaniną racemiczną. Naturalnie, można oczekiwać, że oba są równie obecne w naszym ciele, prawda? Źle! W rzeczywistości wszystkie formy życia używają tylko L-aminokwasów i D-cukrów. Obecność tylko jednego izomeru nazywa się homochiralnością. Od najmniejszych bakterii po słonie, tylko l-aminokwasy tworzą białka, a tylko d-cukry tworzą polisacharydy. Innymi słowy, wszystkie białka są praworęczne, a wszystkie polisacharydy leworęczne*. Dlaczego? To tajemnica, która od lat wprawia biologów w zakłopotanie. Pomimo najlepszych wysiłków fizyków, chemików i biologów ewolucyjnych, nadal nie wiemy na pewno. Tutaj przyjrzymy się wiodącym obecnie teoriom.
*(należy zauważyć, że niektóre l-cukry mogą być również rozkładane przez szlaki metaboliczne. Cukry mogą tworzyć pierścienie, a cukier D tworzy bardziej stabilny pierścień niż cukier L, ale L-cukry mogą nadal istnieć. Stabilność pierścienia może być głównym czynnikiem wpływającym na występowanie cukrów D. Poniżej skupimy się głównie na aminokwasach, które ściśle przylegają do pojedynczej formacji chiralnej w systemach biologicznych.)
enzymy i ewolucja
oto co wiemy: enzymy w komórkach mogą metabolizować tylko jeden izomer, ale nie drugi. Enzymy katalizują reakcje rozpadu i budowy cząsteczek poprzez wiązanie się z nimi w bardzo specyficzny sposób. Enzym rozkładający d-glukozę nie będzie w stanie rozkładać L-glukozy. Gdybyśmy chcieli użyć i zbudować oba izomery, musielibyśmy mieć dwa zestawy enzymów. Wymagałoby to więcej DNA, więcej jedzenia i dużo więcej energii. Naturalnie, komórki chcą być jak najbardziej wydajne, więc posiadanie dodatkowego zestawu enzymów byłoby podatne.
ale gdybyśmy mieli te dodatkowe enzymy, czy nie moglibyśmy również uzyskać dwa razy więcej energii ze środowiska? Moglibyśmy użyć pozostałych 50% izomerów, gdybyśmy mieli enzymy do ich rozkładania, zamiast ich marnować. Odpowiedź dotyczy ewolucji i piramidy żywieniowej.
Kiedy Wczesne życie ewoluowało, organizm miał enzymy, które selektywnie reagowały z jednym izomerem. Organizmy, które zjadły tę pierwszą formę życia, musiałyby mieć te same selektywne enzymy, aby je strawić. Jeśli całe twoje jedzenie zawiera tylko d-cukry, to Ty też! Jeśli więc dno łańcucha pokarmowego wykorzystuje tylko l-aminokwasy, homochiralność rozprzestrzeni się na każdy organizm w łańcuchu pokarmowym! Ponieważ życie musiało najpierw wytworzyć jeden zestaw enzymów, utknęliśmy z tą selektywnością. Selektywna presja ewolucji zmusiła każdy nowy organizm do stosowania tych samych aminokwasów i rodzajów cukru, co te przed nim.
więc po wybraniu jednego izomeru każda forma życia będzie go używać. Ale dlaczego L-aminokwasy zamiast d-aminokwasy, i dlaczego d-cukry zamiast l-cukry? To jest prawdziwa tajemnica. Coś na samym początku życia musiało wybierać jeden nad drugim. Jest możliwe, że we wczesnych stadiach życia niektóre organizmy rozwinęły jeden zestaw enzymów, podczas gdy inne organizmy miały drugi. Mogło to być przypadkowe zdarzenie, które zniszczyło jedną linię enzymów, ale naukowcy nie są zadowoleni z tej odpowiedzi. Musi być jakiś powód, dla którego L-aminokwasy i D-cukry są lepsze do przeżycia niż ich odpowiedniki.
mieszaniny racemiczne to 50/50 mieszanin obu izomerów. Ale są powody, by sądzić, że w naszym układzie gwiezdnym, istnieje niewielka preferencja energetyczna dla jednego izomeru nad drugim. Aby zrozumieć tę preferencję, musimy udać się w głąb Drogi Mlecznej.
nasza galaktyka ma chiralny spin i orientację magnetyczną. Powoduje to, że pył kosmiczny kołowo spolaryzuje światło w jednym kierunku. Zasadniczo, ponieważ światło jest falą dwuwymiarową, będzie propagować się w helisie. Pył kosmiczny powoduje, że spirala obraca się preferencyjnie w jednym kierunku.
to kołowo spolaryzowane światło rozkłada d-aminokwasy bardziej niż l-aminokwasy, dzięki czemu l-aminokwasy są bardziej stabilne. Potwierdzają to badania meteorów i komet. Materia kosmiczna, przynajmniej w Drodze Mlecznej, preferuje L-aminokwasy ze względu na kołową polaryzację światła.
inne fizyczne Wyjaśnienie preferencji jednego izomeru nad drugim ma związek z siłą elektrozaworu. Istnieją cztery podstawowe siły, które rządzą fizyką: grawitacja, elektromagnetyzm, silna siła jądrowa i siła elektrodynamiczna (znana również jako słaba siła jądrowa). Pierwsze trzy są achiralne: wpływają na izomery L-I D-w ten sam sposób. Na siłę uderzenia elektrycznego wpływa jednak chiralność. Siła elektrozaworu reguluje radioaktywny rozpad atomów i cząsteczek. W tym rozpadie parzystość wszechświata nie zawsze jest zachowana. Podczas rozpadu beta emitowane elektrony faworyzują jeden rodzaj spinu. Spin elektronów ponownie rozkłada d-aminokwasy bardziej niż l-aminokwasy, powodując przesunięcie równowagi cząsteczek na korzyść izomeru L.
zarówno światło spolaryzowane, jak i rozpad elektrozaczepu przyczyniają się do nieznacznej przewagi jednego izomeru nad drugim w naszej galaktyce. Jednak w wielkim schemacie rzeczy ta rozbieżność nie jest wystarczająca, aby wyjaśnić, dlaczego każda forma życia używa tylko d-cukrów i L-aminokwasów. Musi być coś więcej. Co prowadzi nas do …
Autokataliza
gdy fizyka daje lekką przewagę jednego izomeru nad drugim, istnieje chemiczny powód, który wzmacnia różnicę. Autokataliza oznacza, że obecność substancji chemicznej stymuluje własną produkcję. Około 1950 roku F. C. Frank zasugerował, że dominujące izomery mogą aktywować własną produkcję, jednocześnie hamując produkcję drugiego izomeru.
powyższa grafika ilustruje punkt. Gdy zaczyna się z 3 l-izomerów i 2 D-izomerów, stosunek może być bardzo szybko amplifikowane tak l-izomerów znacznie przewyższają liczbę d-izomerów. Izomer l stymuluje własną produkcję, a izomer l wiąże się również z izomerem D w procesie zwanym ” wzajemnym antagonizmem.”Zapobiega to tworzeniu się większej ilości izomerów D, A izomer L jest szybko faworyzowany.
To była tylko hipotetyczna struktura wyjaśniająca, dlaczego mamy tylko l-aminokwasy i D-cukry. Koncepcja ta zyskała jednak poparcie po odkryciu reakcji Soai. Jest to jedna demonstracja, jak pewne izomery mogą być faworyzowane w stosunku do innych w procesach biologicznych. Chociaż nie ma dowodów na wszechobecną autokatlizę powodującą homochiralność, z pewnością może to być czynnik wzmacniający w niektórych przypadkach.
działający Model
obecnie najpopularniejsza teoria homochiralności biologicznej obejmuje wszystkie te wnioski. Zjawiska fizyczne, takie jak światło spolaryzowane i siła elektrozaworu, powodują nieznaczną nierównowagę izomerów D i L. Ta mała rozbieżność jest wzmacniana w bardziej nierówną nierównowagę przez autokatalizę. Następnie, po utworzeniu życia, pojedynczy izomer został wybrany szybko przez łańcuch pokarmowy i specyficzność enzymów. Tak więc dzisiaj widzimy tylko l-aminokwasy i D-cukry.
ta teoria ma jeszcze kilka dziur. Może nigdy nie będzie idealnego wytłumaczenia wydarzenia, które rozpoczęło się miliardy lat temu. Ale teraz mamy przynajmniej potencjalne rozwiązanie dla tajemnicy biolgicznej homochiralności.
„Tajemnica tworzy cud, a cud jest podstawą pragnienia człowieka do zrozumienia.”— Neil Armstrong
